阅读说明：本技术 一种不锈钢表面碳氮共渗的方法 (Method for carbonitriding surface of stainless steel ) 是由 谢珈璐 于 2020-04-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种不锈钢表面碳氮共渗的方法,通过对不锈钢表面的调质处理和离子注入稀土元素的处理,充分控制碳氮共渗过程中的温度、碳势和氨气流量,可以有效的控制不锈钢表面的渗层厚度和微观组织,能够得到强度高、硬度大、耐磨性好和抗疲劳性能优异的不锈钢制品,且本发明所述方法具有生产周期短,方法简单,生产效率高、能够适用工业生产的良好优点。(The invention discloses a stainless steel surface carbonitriding method, which can fully control the temperature, the carbon potential and the ammonia flow in the carbonitriding process by carrying out quenching and tempering treatment on the stainless steel surface and ion implantation of rare earth elements, can effectively control the thickness and the microstructure of a carburized layer on the stainless steel surface, and can obtain a stainless steel product with high strength, high hardness, good wear resistance and excellent fatigue resistance.)

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法

技术领域

本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种不锈钢表面碳氮共渗的方法。

背景技术

由于不锈钢具有良好的硬度，耐腐蚀性，强韧性等优点，广泛应用于建筑、石油化工、核工业、航空航天等领域，但是在实际应用中，仍然会出现表面磨损严重、强度不够、使用寿命短等问题，严重影响其可靠性。所以需要采取各种强化措施来改善已开发不锈钢钢种的性能，进一步发挥各类不锈钢的优势，拓展其应用范围。不锈钢的表面改性处理技术是有效提高材料表面硬度、耐磨性和抗疲劳性能的方法之一，主要的表面改性方法包括渗氮，渗碳，碳氮共渗，薄膜沉积等。

其中，碳氮共渗是活性碳、氮原子同时渗入钢件表面的化学热处理工艺，它是渗碳与渗氮化学热处理工艺的结合，兼有两者的长处，并且碳氮共渗层具有脆性小、韧性高和与基体结合牢固及抗剥落性等特点，有逐步代替渗碳趋势。但在实际生产中因种种原因会产生各种缺陷，尤其是对硬度层的控制方面，是确保碳氮共渗的渗层品质及产品使用寿命的重要前提。碳氮共渗过程对渗层的碳氮浓度必须严格控制，含量过低，不能获得高的强度、硬度与理想的残余应力，影响耐磨性与疲劳强度，反之，表层出现大量不均匀的块状碳氮化合物、脆性增加。

因此，如何改进不锈钢表面的碳氮共渗工艺，制备得到强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性等性能良好的不锈钢仍然是目前面临的主要问题。

发明内容

针对现有技术存在的诸多问题，本发明的目的在于提供一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，通过不锈钢的预处理、离子注入稀土元素、和碳氮共渗工艺的优化，制备得到一种强度高、硬度大、耐磨性好和抗疲劳性能优异的不锈钢制品，且本发明所述方法具有生产周期短，方法简单，生产效率高、能够适用工业生产的良好优点。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；

(2)离子注入稀土元素

采用等离子体浸没离子注入技术向步骤(1)的不锈钢表面注入稀土离子；

(3)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温20-30min，控制碳势和氨气流量，制备碳氮共渗层；

(4)后处理

将步骤(3)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温2-3h。

进一步，所述步骤(1)的调质处理具体为将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温1-2h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温2-3h；

进一步，所述步骤(2)中的稀土离子是铈、镧、钕的一种或多种；离子注入能量为30-45Kev，注入剂量为0.3×10¹⁵-0.8×10¹⁵cm^-2；

进一步，所述步骤(3)中碳氮共渗工艺包括三个阶段，具体：将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温20-30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.9-1.1％，氨气流量0.5-0.7L/min，保温20-30min；

降温至700±10℃，均温20-30min，继续保持温度700±10℃，控制碳势1.2-1.5％，氨气流量1.3-1.6L/min，保温60-80min；

加热至820±10℃，均温20-30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.4-0.6％，氨气流量0.8-1.1L/min，保温40-60min；

本发明具有以下有益效果：

(1)不锈钢的调质处理(淬火+回火)能够使得钢质组织均匀，并充分释放应力，减少因应力造成的变形，同时降低硬度，便于机械加工；

(2)在不锈钢表面利用离子注入技术掺杂稀土离子，能够促进碳和氮元素的渗入速度、和深度，细化碳氮共渗层组织，提高渗氮和渗碳层的致密度，有利于碳氮共渗工艺的进行；

(3)本发明通过对碳氮共渗工艺的特殊改进，采用三阶段式碳氮共渗工艺，合理调整碳和氮元素在不锈钢表面的分布，保证在不锈钢表面形成足够深度的碳氮共渗表面，提高不锈钢的硬度和强度；

具体来说，在初始的高温阶段，短时间通入较高的碳和氨气，利用离子注入稀土元素的锚点的效应，使得碳和氮元素快速渗入不锈钢的内部，提高碳氮渗层的深度；接着在后续的低温阶段，提高碳势和氨气流量，并增加渗透时间，进一步在不锈钢表面形成足够致密、足够深度的碳氮层；最后在高温阶段，降低碳势和氨气流量，细化碳氮渗层组织，降低渗层组织缺陷，提高不锈钢表面的耐磨性和抗疲劳性能。

(4)本发明的不锈钢表面碳氮共渗的方法通过对不锈钢表面的调质处理和离子注入稀土元素的处理，充分控制碳氮共渗过程中的温度、碳势和氨气流量，可以有效的控制不锈钢表面的渗层厚度和微观组织，能够得到强度高、硬度大、耐磨性好和抗疲劳性能优异的不锈钢制品，且本发明所述方法具有生产周期短，方法简单，生产效率高、能够适用工业生产的良好优点。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；

将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温2h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h；

(2)离子注入稀土元素

采用等离子体浸没离子注入技术向步骤(1)的不锈钢表面注入稀土离子；稀土离子是铈；离子注入能量为45Kev，注入剂量为0.3×10¹⁵cm^-2；

(3)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温20min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.9％，氨气流量0.7L/min，保温30min；

降温至700±10℃，均温30min，继续保持温度700±10℃，控制碳势1.5％，氨气流量1.6L/min，保温80min；

加热至820±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.6％，氨气流量1.1L/min，保温60min；制备碳氮共渗层；

(4)后处理

将步骤(3)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h。

实施例2

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；

将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温1h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温2h；

(2)离子注入稀土元素

采用等离子体浸没离子注入技术向步骤(1)的不锈钢表面注入稀土离子；稀土离子是钕；离子注入能量为30Kev，注入剂量为0.8×10¹⁵cm^-2；

(3)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势1.1％，氨气流量0.7L/min，保温20min；

降温至700±10℃，均温20min，继续保持温度700±10℃，控制碳势1.5％，氨气流量1.3L/min，保温80min；

加热至820±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.4％，氨气流量0.8L/min，保温60min；制备碳氮共渗层；

(4)后处理

将步骤(3)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h。

实施例3

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；

将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温2h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h；

(2)离子注入稀土元素

采用等离子体浸没离子注入技术向步骤(1)的不锈钢表面注入稀土离子；稀土离子是镧；离子注入能量为40Kev，注入剂量为0.6×10¹⁵cm^-2；

(3)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势1.0％，氨气流量0.6L/min，保温25min；

降温至700±10℃，均温30min，继续保持温度700±10℃，控制碳势1.4％，氨气流量1.5L/min，保温70min；

加热至820±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.5％，氨气流量1.0L/min，保温50min；制备碳氮共渗层；

(4)后处理

将步骤(3)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温2h。

实施例4

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；

将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温1.5h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温2.5h；

(2)离子注入稀土元素

采用等离子体浸没离子注入技术向步骤(1)的不锈钢表面注入稀土离子；稀土离子是铈和镧；离子注入能量为45Kev，注入剂量为0.7×10¹⁵cm^-2；

(3)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势1.1％，氨气流量0.7L/min，保温30min；

降温至700±10℃，均温25min，继续保持温度700±10℃，控制碳势1.3％，氨气流量1.5L/min，保温80min；

加热至820±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.6％，氨气流量1.1L/min，保温60min；制备碳氮共渗层；

(4)后处理

将步骤(3)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h。

对比例1

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；

将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温2h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h；

(2)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温20min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.9％，氨气流量0.7L/min，保温30min；

降温至700±10℃，均温30min，继续保持温度700±10℃，控制碳势1.5％，氨气流量1.6L/min，保温80min；

加热至820±10℃，均温30min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.6％，氨气流量1.1L/min，保温60min；制备碳氮共渗层；

(3)后处理

将步骤(2)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h。

对比例2

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温2h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h；

(2)离子注入稀土元素

采用等离子体浸没离子注入技术向步骤(1)的不锈钢表面注入稀土离子；稀土离子是铈；离子注入能量为45Kev，注入剂量为0.3×10¹⁵cm^-2；

(3)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温20min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.9％，氨气流量0.7L/min，保温200min；制备碳氮共渗层；

(4)后处理

将步骤(3)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h。

对比例3

一种不锈钢表面碳氮共渗的方法，包括以下步骤：

(1)调质处理

将不锈钢进行调质处理，调质处理包括淬火和回火；

将不锈钢进行淬火处理后油冷，淬火温度800±10℃，保温2h；继续进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h；

(2)离子注入稀土元素

采用等离子体浸没离子注入技术向步骤(1)的不锈钢表面注入稀土离子；稀土离子是铈；离子注入能量为45Kev，注入剂量为0.3×10¹⁵cm^-2；

(3)碳氮共渗

将步骤(2)的不锈钢放入真空炉中，加热至800±10℃，均温20min，继续保持温度800±10℃，控制碳势0.9％，氨气流量0.7L/min，保温30min；

降温至700±10℃，均温30min，继续保持温度700±10℃，控制碳势1.5％，氨气流量1.6L/min，保温80min；制备碳氮共渗层；

(4)后处理

将步骤(3)的不锈钢进行回火处理后空冷，回火温度500±10℃，保温3h。

测试实施例1-4和对比例1-3制备得到的碳氮共渗层的厚度和硬度，结果如表1所示：

表1

	碳氮共渗层厚度(μm)	硬度(HRC)
			实施例1	85	76
实施例2	78	70
			实施例3	72	72
实施例4	83	74
			对比例1	70	62
对比例2	68	54
			对比例3	72	56

可见，通过表1的实验数据可以发现，本申请在不锈钢表面碳氮共渗处理过程中施加离子注入稀土元素能够提高碳氮共渗层的厚度和硬度，同时，通过三段式的碳氮共渗处理工艺能够极大的提高碳氮共渗层的厚度和硬度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。